基于加工誤差綜合分析的薄壁件工藝順序及參數優化方法研究

譚波

四川化工職業技術學院，四川 瀘州，646000

0 引言

國內的零件加工業目前逐步壯大，而對于零部件的需求量也在不斷增加。目前有很多企業急需大口徑的薄壁零件，薄壁件已經成為領域范圍內非常重要的設施。在加工薄壁零件時，工藝技術非常重要，也是體現其基礎性能的指標，例如拉伸性能。同時也會影響到設計以及安全評定等。薄壁件工藝會隨著材質的不同產生不同的變化，敏感性也會出現增大情況，主要與溫度有很大關系，當對其進行測試時，其形變強化會產生塑性變形量。零件業加工往往對其工藝要求非常高，對其參數也會有很高的要求，本文針對加工誤差中所形成的性能影響展開分析，并且提出合理的改進措施和方案。

1 加工誤差綜合分析的薄壁件性能的影響

1.1 立桿間距不符合方案要求

立桿間距過大，不符合制作要求，同時由于技術力量薄弱，導致支撐體系無法滿足較大的承載能力，也會影響到架子的穩定狀況，在嚴重的情況下會出現倒塌。在施工中要按照圖紙要求，支撐間距小于1.3m×1.3m[1]。

1.2 斜撐設置不滿足方案要求

模具斜撐未按照工作要求，無法與圖紙匹配，對模板的穩定性帶來影響，同時也會對剛度造成影響，在后期會造成混凝土澆筑出現偏移等情況。斜撐設置間距過大或安裝不滿足要求的，需補設斜撐。此時操作一定要按照規章要求，檢驗查收要符合相關標準規定，不滿足技術要求需要及時整改。

1.3 生產零件表面粗糙問題

加工行業由于受到設備的影響，所以打造的零件光滑度無法符合標準，從而會降低工作效率。光滑度比較優質的零件，在生產之后會產生較小的摩擦力。但是光滑度較差的零件就會產生較大的摩擦力，從而會影響到實際的工作效率，同時也會對機械帶來嚴重影響，在生產中銑工所打造出來的零件非常粗糙，但是根據分析，目前表面粗糙的主要原因是，銑刀刃口由于長時間使用會變得遲鈍，另外在震動下也會導致零件的粗糙，銑刀幾何參數無法與要加工的零件匹配，拖刀現象等，都是影響零件質量的原因。所以在生產時，每一個環節都需要謹慎，要避免出現質量問題。

1.4 生產中常見的誤差

刀具的選擇一定要合理，要避免誤差的產生，尤其是在銑工流程中，車床上的刀片選擇非常重要，因為在工作中可以加工水平面，也可以加工垂直面，同時還可以展開鉆孔工作。但是在很多工廠中，因為設備陳舊，所以會導致制作出的零部件有很大誤差。這些零件無法滿足生產的需求，所以只能被淘汰。刀具質量較差會影響到工作效率，所以在選擇時一定要按照其幾何參數。另外還需正確使用冷卻液，要避免刀具有過多的磨損。

1.5 加工過程中造成安全事故

銑工大多會使用在大型設備上，所以這些設備較為精密，如果稍有差池，就會出現安全事故。在構建的擺放以及滾動等工作中，容易出現壓手、壓腳等事故。在工作中一定要注意自身安全，所有的工作人員要高度重視此類安全問題。

1.6 背楞、螺桿設置不符合方案要求

背楞高度與其他零部件之間的距離不符合相關規定，所以會導致零部件出現移動以及彎曲變形等情況。在操作中，一定要按照嚴格要求，背楞及對拉螺桿間距過大的需及時補設加固。

2 表面層冷作硬化的影響

檢測在工藝加工當中所形成的塑變性，針對常見的扭曲變形來看，由于纖維狀組織遭到破壞，所以產生了工藝加工的硬化現象，而此時表面硬度比較大。加工中所體現的硬化現象主要是因為金屬表面出現了質量較差的情況，所以對質量帶來嚴重的影響，加工中所產生硬化現象也會促使金屬出現變形的情況，物理性能也會出現巨大的變化。另外作用力也會使其穩定性出現變化，此時叫做金屬的弱化。

3 試樣表面材料的金相組織影響分析

一旦工件表面在切割加工時所產生的溫度高于材料發生相變的溫度，在工件表面產生相變進而使工件表面金屬的組織發生改變。因組織的改變使得金屬的性能發生大的變化，其中材料的硬度與強度降低，出現殘余應力，甚至會出現細微的裂縫，即“磨削燒傷”[2]。

主要有磨削燒傷、退火燒傷、回火燒傷以及淬火燒傷等。由于金屬的不同，不同密度的金相組織也會出現，從而金屬的比容也會不同，表面產生殘余應力，也因工件在切削加工過程中被切削的區域會產生大量的熱，殘余應力因此產生。

4 薄壁件工藝對金屬材料拉伸的影響分析

從樣坯加工到合格的拉伸試樣，需要多種的加工方式和工藝，如加工圓形的試樣就需要使用車床，加工矩形的試樣則需要鐵床或刨床和平面磨床。同時，特別注意車削、磨削的深度和其進給的速度，還有潤滑冷卻等方面需要適當，從而能夠防止材料因受熱或其加工的硬化而影響到其拉伸性能。

嚴格規范機加工試樣，進而避免影響材料的性能測定方面。在實際的檢測工作中，需要正確認識和掌握其各種因素對拉伸試驗結果的影響，提高薄壁件工藝的精度，并嚴格按照標準的尺寸要求來進行加工，避免取樣和制備過程中的熱影響和加工硬化現象影響[3]。

5 薄壁件工藝過程中存在的問題

5.1 薄壁件加工行業盈利能力下降

據統計，從2015年一直到2019年，國內的薄壁件加工行業銷售額已經在不斷地增長，但是整體的利潤卻出現了下降的情況，從2019年開始，薄壁件加工行業的銷售額已經達到了九千多億元。同比上一年增長了6%，利潤已經達到了174億，但是比上一年下降了3%。從銷售利潤來看，目前國內的薄壁件加工行業出現下降的情況，從2015年開始下降了6.3%。一直到2019年下降了.6%，下降的幅度已經遠遠超出130%，說明國內的薄壁件加工貿易目前已經呈現摩擦性常態。目前國內的薄壁件加工行業面臨著巨大的競爭力，所以出口量雖然在逐漸增加，但是利益卻很少。西方發達國家已經成為薄壁件加工業的出口大國，從2016年起，國內開始對貿易進行保護，因為國外對國內的薄壁件加工行業展開了反調查。2019年開始，西方發達國家再次針對中國的薄壁件出口展開了反傾銷調查，與國內的薄壁件加工行業出現摩擦性常態，為出口帶來了巨大的壓力，同時也面臨著很大的難度。

5.2 薄壁件加工質量有待提高

我國是人口大國，隨著人口不斷增加，對于原材料的需求也會越來越多，薄壁件材在人們的生活中，是非常重要的一種材料。在不久的將來，薄壁材料的消費會具有較強的發展潛力，尤其是目前國內的薄壁件加工行業，政策非常嚴格，所以導致盈利持續下降，然而貿易摩擦也帶來了嚴重的影響，促使國內的薄壁件加工行業必須要快速轉型。從數量轉變成質量，以此為發展方向，國內薄壁件加工行業需要延長產業鏈，并且要提高現實技術以及裝備的等級。按照客戶的要求來研發全新的薄壁件材料產品，不斷的改善產品結構，適當的提升產業鏈所產生的附加值，目前綠色，環保以及節能等已經成為政策中的重點，也是國內落實的重要方針，作為薄壁件加工行業，應該提高產品技術，要避免污染環境，同時應該降低能耗等，力求做到綠色制造。

6 薄壁件工藝處理辦法

6.1 降低毛坯內應力

內應力如果想要降低，那么可以采取自然以及人工的方式來進行處理。此時因為余量較大，所以在加工零部件的時候，會出現變形的情況。同時還會出現掉毛坯的情況，為了避免加工變形，首先應該將預先加工放置半個小時，可以將內應力持續的釋放[4]。

6.2 改善刀具的切削能力

刀具的使用要根據其幾何參數來進行選擇，另外刀具的材質也特別重要，要避免切削熱量所帶來的影響。使用合乎標準的道具，能夠避免零件出現變形。刀齒切削刃部，要有一定的粗糙度，但是應該低于Ra=0.4um。為了避免出現毛刺以及鋸齒紋，這是必不可少的一個步驟，同時也能夠降低切削熱。刀具在使用一段時間之后，會出現不同程度的磨損，尤其是磨損值逐漸增加時，切削溫度也會不斷增加，此時零件出現的變形情況會非常的嚴重。選擇使用耐磨性較好的刀具材料，否則會出現積屑瘤。在進行切削中，要保證工件溫度，不可以超出100℃，要避免變形[5]。

6.3 改善工件的夾裝方法

有些零部件的剛性比較差，要采取一些方法，要避免其變形。薄壁零件，可以使用三爪來進行固定。尤其是薄壁零件，在加工的時候，可以使用真空吸盤，這樣做可以讓夾緊力比較均勻，同時在切削時可以充分避免工件變形。另外，填塞法也是不錯的一種方式，可以提升公益剛性，同時也可以當做填充介質使用。在裝夾和切削時，可以充分避免工件變形。例如在工件內放入3%～6%的尿素熔融物，在經過加工之后，弓箭需要浸泡到水或者是酒精當中，此時可以很輕松地將填充物取出。

6.4 合理安排工序

進行高速切削會因為斷續切削以及加工量過大，以及劇烈的震動，此時會影響到精確度，同時也會造成表面過于粗糙。使用數控的工藝，在粗加工時，應該以半加工為主。此時對零件的精確度有很高的要求，在制作后還需要進行二次加工，最后才可以展開精細加工。在粗加工之后，零件需要冷卻才可以排除內應力。避免變形粗加工所產生的余量會比變形量大，所以一般可達到1～2mm。在經過精細加工后，零件的精確度會維持在0.2～0.5mm，使用刀具在進行加工時，應該保持平穩狀態，可避免切削變形，零件的表面非常的光滑，可確保質量，同時也能夠保證精確度[6]。

7 減小加工變形的操作技巧

7.1 保證散熱性

對于余量較大的零部件展開加工的時候，首先散熱條件要好，要避免熱量出現集中的情況。例如90mm的板料在進行加工時，最后需要達到60mm，先從一側進行加工，然后加工另一側，但是一定要注意散熱，其表面要達到一定的平整度。每一面要分兩道工序來進行加工，最后的尺寸需要保持在0.3mm。

7.2 多次加工

針對板材零件進行加工時，如果具備多個型腔，那么需要采用多次加工的方式，要避免零件由于受力不均而出現變形的情況。多次加工可以使零件的每一個型腔受到不同的力度，然而零件的受力是非常均勻的，這樣才可以避免變形。切削熱的產生會對切削力度有一定的影響，此時加工余量如果過高，那么切削力不能太大，很容易導致零件變形，同時對機床主軸的剛性會產生影響，并且還會促使刀具加速老化。

7.3 走刀順序需要合理需要科學

在進行粗加工的時候，一定要提升其加工效率。在追求時間的情況下，要保證零部件的表面沒有多余材料，表面應該呈光滑狀，并且有幾何輪廓。經過精細加工，其質量要保證一定的精準度。薄壁工件裝夾時很容易出現變形的情況，為了避免工件變形，要根據經驗以及手感進行裝夾，不易過緊也不易過松，要保證其剛性。

7.4 避免過度用力

帶型腔零件在進行加工時要避免銑刀力度過大，有些操作人員由于操作失誤，在使用中將其當做鉆頭，使用垂直向下的方式去加工零件。此時會導致空間不足，無法排除參與廢料，此時零件會出現過熱，也會出現膨脹的情況。會導致斷刀出現，此時會造成一定的危險。同時所制作出的零件根本無法使用，同時也會造成歐劇的損壞。所以操作人員一定要按照合理的方法去操作，要避免違法操作。不僅僅會引起設備的損壞，同時還會帶來人員傷害。在加工中，人員安全是重中之重，然而加工的質量也是非常重要的，所以一定要按照規程來操作。

7.5 EHM有限元模型的建立

EHM是屬于較為復雜的相互耦合過程，刀具與工件在充分接觸后會產生快速加熱的情況，需要經過一系列耦合反應：在達到一定電接觸狀態時，能夠迅速加熱刀具與工件的接觸部分。通過利用焦耳熱以及摩擦熱的方法來對其溫度場產生重要影響。本次研究主要是將EHM模型進行簡化，而后形成導電加熱與切削系統。首先，通過深入分析和研究而得到閉合電路的瞬間所產生的熱量，然后將該溫度作為切削起始溫度，之后將工件的初始溫度不斷改變，觀察其切削效果，以此來設置仿真實驗過程。便于觀察和研究起始溫度對工件切削效果的影響。

7.6 刀具及工件的網格劃分

DEFORM軟件可以自行計算給出答案，在其運算求解時，可以自動連接系統的網格劃分裝置，然后不斷對其進行細化，升級和完善網格模型。大多數情況下認為該模型為平行四邊形，另外還可以將該模型設定為三角形。由于刀具與工件接觸的區域會產生嚴重的變形，因此在刀尖與工件接觸較近的部分，DEFORM系統軟件便會自動地運用更高等級的計算方法來對高密度的網格進行計算。而離刀尖位置較遠的部分，該軟件則會自動選擇網格密度較低的計算方式。這種方法有利于縮短計算時間，提高工作效率。本篇文章主要針對刀具的切削溫度與磨損情況進行深入分析和研究，因此本次研究將刀片設置為剛性體，將工件設置為塑形體。

7.7 磨損模型

DEFORM軟件共可以提供兩種不同的磨損模型。分別為Archard和Usui模型，多數情況下Archard磨損模型多被用于鍛造加工。而Usui磨損模型更適合用于金屬材料加工。本篇文章的刀具磨損模型所應用的為Usui模型。該模型對消切速度及力度、接觸壓力及溫度等多方面因素進行精準分析，對刀具的磨損率更加精準。一般情況下，EMH切削過程當中，會受到溫度影響，使刀具與工件之間相互接觸，摩擦生熱，從而使刀具磨損。刀具的表面磨損情況能夠清晰的反映出刀具的使用壽命。通過實驗數據結果可知，刀具的磨損程度受電流強度影響較大。其表面磨損率與電流的強度呈負相關，因此為了延長刀具的使用壽命，可以適當的增加電流強度。

8 結語

綜上所述，薄壁件工藝加工無論是對于金屬材料的表面還是內在結構都具有很嚴重的影響，不僅會影響到金屬材料的外觀，更會嚴重影響金屬材料的使用性能以及自身的結構和形狀，希望在本文相關的一系列的建議的幫助下，這些問題可以得到有效改善以及緩解?？傊?，隨著現代工業與科技的不斷進步與發展，新型材料不斷興起與廣泛應用，對金屬材料的拉伸表面和精度有了更高的要求，因此，應該特別對起材料表面及精度、誤差等方面進行詳細分析，通過薄壁件的質量和拉伸性能提高，為其行業更好的發展作出更大的貢獻。